左：这是 8799 年哈勃近红外相机和多目标光谱仪 (NICMOS) 拍摄的恒星 HR 1998 的图像。相机内的遮罩（日冕仪）阻挡了来自恒星的大部分光线。 天文学家还使用软件以数字方式减去更多的星光。 然而，来自 HR 8799 的散射光在图像中占主导地位，掩盖了后来从地面观测中发现的四颗微弱行星。 右图：2011 年对 NICMOS 数据的重新分析发现了三颗系外行星，这些行星在 1998 年的图像中并未出现。 韦伯将以天文学家很少用于拍摄遥远世界的红外波长探测行星的大气层。 图片来源：NASA、ESA 和 R. Soummer (STScI)
美国宇航局的韦伯研究边缘的年轻系外行星
韦伯将探索系外行星系统的外部领域，调查已知行星并寻找新世界。
尽管已经在其他恒星周围发现了 4,000 多颗行星，但它们并不代表可能存在的外星世界的广泛多样性。 迄今为止探测到的大多数系外行星都是所谓的“抱星者”：它们的轨道非常靠近它们的主恒星，以至于它们在几天或几周内完成一个轨道。 这些是当前检测技术最容易找到的。
但是在更遥远的轨道上寻找系外行星有一个广阔的、几乎是未知的景观。 天文学家才刚刚开始探索这个前沿。 这些行星离它们的恒星足够远，以至于配备了遮住恒星耀眼眩光的面罩的望远镜可以直接看到行星。 最容易发现的行星是炽热的新形成的世界。 它们足够年轻，它们仍然在红外光中因形成时产生的热量而发光。
这个系外行星系统的外部领域是理想的狩猎场 美国航空航天局即将推出 詹姆斯韦伯太空望远镜. 韦伯将以红外波长探测附近已知系外行星的大气，例如 HR 8799 和 51 Eridani b。 韦伯还将寻找其他遥远的世界——可能低至 土星-大小——位于无法用地面望远镜探测到的行星系统的外围。
这张示意图显示了远离附近恒星 HR 8799 的四颗系外行星的位置。由于轨道平面相对于我们的视线略有倾斜，因此轨道看起来拉长了。 HR 8799 行星系统的大小与我们的太阳系相当，如海王星的轨道所示，按比例显示。 图片来源：NASA、ESA 和 R. Soummer (STScI)
在 1990 年代首次发现其他恒星周围的行星之前，这些遥远的异国世界只存在于科幻作家的想象中。
但即使是他们的创造性思维也无法想象天文学家发现的世界的多样性。 许多这样的世界，称为 系外行星，与我们太阳系的行星家族有很大不同。 它们的范围从拥抱恒星的“热木星”到被称为“超级地球”的超大岩石行星。 我们的宇宙显然比小说更奇怪。
看到这些遥远的世界并不容易，因为它们迷失在主星的眩光中。 试图检测它们就像努力看到一只萤火虫在灯塔的辉煌灯塔旁边盘旋。
这就是为什么天文学家已经使用间接技术确定了迄今为止发现的 4,000 多颗系外行星中的大部分，例如通过恒星的轻微摆动或当行星从它前面经过时它的意外变暗，从而阻挡了一些星光。
然而，这些技术最适用于围绕其恒星运行的行星，天文学家可以在行星完成其跑道轨道时检测到数周甚至数天的变化。 但是只发现掠星行星并不能为天文学家提供恒星系统中所有可能世界的全面图片。
这张围绕附近恒星 51 Eridani 运行的木星大小的系外行星的发现图像是由双子座行星成像仪于 2014 年在近红外光下拍摄的。 明亮的中央恒星隐藏在图像中心的一个面罩后面，以便能够探测到比波江座 1 暗 51 万倍的系外行星。 这颗系外行星位于距其恒星 11 亿英里的行星系统外围。 韦伯将以天文学家很少用于拍摄遥远世界的红外波长探测行星的大气层。 图片来源：International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA、J. Rameau（蒙特利尔大学）和 C. Marois（加拿大国家研究委员会 Herzberg）
研究人员在寻找系外行星（即围绕其他恒星运行的行星）时使用的另一种技术是专注于远离恒星眩光的行星。 科学家们使用专门的成像技术来阻挡来自恒星的眩光，发现了年轻的系外行星，它们非常热，可以在红外光下发光。 通过这种方式，可以直接看到和研究一些系外行星。
美国宇航局即将推出的詹姆斯韦伯太空望远镜将帮助天文学家进一步探索这个大胆的新领域。 与一些地面望远镜一样，韦伯配备了称为日冕仪的特殊光学系统，该系统使用旨在阻挡尽可能多的星光的面罩来研究微弱的系外行星并发现新世界。
Webb 任务早期的两个目标是行星系统 51 Eridani 和 HR 8799。在几十个直接成像的行星中，天文学家计划使用 Webb 详细分析离地球最近且行星与它们的行星相距最远的系统。星星。 这意味着它们看起来离恒星的眩光足够远，可以直接观察到。 HR 8799 系统距离地球 133 光年和 51 波江谷 96 光年。
韦伯的行星目标
韦伯任务早期的两个观测计划结合了近红外光谱仪 (NIRSpec) 的光谱能力以及近红外相机 (NIRCam) 和中红外仪器 (MIRI) 的成像，以研究 HR 8799 系统中的四颗巨行星。 在第三个项目中，研究人员将使用 NIRCam 分析波江座 51 的巨行星。
HR 8799 系统中的四颗巨行星各大约 10 木星 群众。 它们距离一颗比太阳稍大的恒星运行超过 14 亿英里。 这颗位于波江座 51 的巨行星质量是木星的两倍，距离一颗类太阳恒星约 11 亿英里。 两个行星系统的轨道都面向地球。 这种方向为天文学家提供了一个独特的机会，可以鸟瞰系统顶部，就像查看射箭目标上的同心环一样。
许多在其恒星外轨道上发现的系外行星与我们的太阳系行星大不相同。 在这个外围区域发现的大多数系外行星，包括那些在 HR 8799 中的系外行星，质量都在 5 到 10 个木星之间，这使它们成为迄今为止发现的质量最大的行星。
这些外行星相对年轻，从数千万年到数亿年不等——比我们太阳系的 4.5 亿年要年轻得多。 因此，它们仍然因形成的热量而发光。 这些系外行星的图像本质上是婴儿照片，揭示了它们年轻时的行星。
这段视频显示了在附近的 HR 8799 系统中，四颗木星大小的系外行星在距其恒星数十亿英里的地方运行。 行星系统面向地球，为天文学家提供了行星运动的独特鸟瞰图。 这些系外行星的轨道距离它们的恒星如此之远，以至于它们需要几十年到几个世纪才能完成一个轨道。 该视频由夏威夷莫纳克亚岛的 WM 凯克天文台在七年期间拍摄的七张系统图像组成。 凯克的日冕仪挡住了大部分星光，因此可以看到更暗更小的系外行星。 学分：Jason Wang (Caltech) 和 Christian Marois (NRC Herzberg)
韦伯将探测中红外，这是天文学家以前很少使用的波长范围来成像遥远的世界。 由于地球大气的热发射和吸收，这个红外“窗口”很难从地面观察到。
“韦伯的强项是在中红外范围内穿过太空的不受限制的光，”夏威夷大学希洛分校的克劳斯霍达普说，他是 HR 8799 系统 NIRSpec 观测的首席研究员。 “地球的大气层很难通过。 我们自己大气层中的主要吸收分子使我们无法看到行星中有趣的特征。”
中红外“是韦伯真正将在理解什么是特定分子、我们希望找到的大气特性方面做出开创性贡献的区域，而这些特性是我们无法从较短的近红外中获得的位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的美国宇航局喷气推进实验室的查尔斯·贝希曼 (Charles Beichman) 说，他是 HR 8799 系统的 NIRCam 和 MIRI 观测的首席研究员。 “我们将在地面观测站所做的工作的基础上再接再厉，但目标是在没有韦伯的情况下以一种不可能的方式扩展它。”
行星是如何形成的？
研究人员在这两个系统中的主要目标之一是使用韦伯来帮助确定系外行星是如何形成的。 它们是通过围绕恒星的圆盘中的物质堆积而产生的，富含碳等重元素，就像木星可能所做的那样？ 或者，它们是由氢云的坍缩形成的，就像恒星一样，在无情的引力作用下变得更小？
大气构成可以提供行星诞生的线索。 “我们想了解的一件事是形成这些行星的元素的比例，”Beichman 说。 “特别是，碳与氧的对比可以告诉你很多关于形成行星的气体来自哪里。 它是来自一个吸积了很多更重元素的圆盘，还是来自星际介质？ 所以这就是我们所说的碳氧比，它可以很好地表明形成机制。”
这段视频展示了一个木星大小的 系外行星 距离附近一颗类似太阳的恒星——波江座 11 很远——大约 51 亿英里。 行星系统面向地球，为天文学家提供了行星运动的独特鸟瞰图。 该视频由智利双子座南方望远镜的双子座行星成像仪在四年内拍摄的五张图像组成。 双子座的日冕仪挡住了大部分星光，因此可以看到更暗更小的系外行星。 图片来源：Jason Wang（加州理工学院）/Gemini Planet Imager Exoplanet Survey
为了回答这些问题，研究人员将使用韦伯来更深入地探索系外行星的大气层。 例如，NIRCam 将测量甲烷等元素的大气指纹。 它还将研究云特征和这些行星的温度。 “我们已经从地面设施获得了这些近红外波长的大量信息，”马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的马歇尔佩林说，他是 NIRCam 对 51 Eridani b 的观测的首席研究员。 “但来自韦伯的数据将更加精确、更加敏感。 我们将拥有一套更完整的波长，包括填补您无法从地面获取这些波长的空白。”
天文学家还将利用韦伯望远镜及其卓越的灵敏度来寻找远离恒星的质量较小的行星。 “从地面观测来看，我们知道这些大质量行星相对罕见，”佩林说。 “但我们也知道，对于系统的内部部分，低质量行星比大质量行星更为常见。 所以问题是，对于这些进一步的分离也同样适用吗？” 贝希曼补充道：“韦伯在寒冷的太空环境中进行操作使得 搜索、 对于更暗、更小的行星，无法从地面探测到。”
另一个目标是了解迄今为止发现的无数行星系统是如何产生的。
“我认为我们发现的是太阳系存在巨大的多样性，”佩林说。 “你的系统中有这些热木星行星在非常接近的轨道上。 你有你没有的系统。 你有一个系统，其中你有一个 10 木星质量的行星，而在其中你没有比几个地球更大的行星。 我们最终想了解行星系统形成的多样性如何取决于恒星的环境、恒星的质量以及其他各种因素，最终通过这些人口水平的研究，我们希望将我们自己的太阳系置于背景中。”
HR 8799 的 NIRSpec 光谱观测和 51 Eridani 的 NIRCam 观测是保证时间观测计划的一部分，该计划将在今年晚些时候韦伯发射后不久进行。 HR 8799 的 NIRCam 和 MIRI 观测是两个仪器团队的合作，也是保证时间观测计划的一部分。
詹姆斯·韦伯太空望远镜将于2021年发射升空，它将成为世界上最重要的太空科学天文台。韦伯将解决我们太阳系中的奥秘，将目光投向其他恒星周围的遥远世界，并探究我们宇宙和我们地方的神秘结构和起源在里面。 Webb是一项由NASA及其合作伙伴ESA（欧洲航天局）和加拿大航天局领导的国际计划。
